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基础知识_01硬件接口和协议

M.2,PCIE,SATA,NVME,AHCI及区别和联系

关系图

需要注意的是上图中：pcie，sata既是总线，其实也是接口（所以下部的接口图中，其实是少了pcie的，借用别人的图，意思大致理解就行）

M.2，U.2，AIC，Half slim，mSATA，2.5in等这些指的是SSD形态（尺寸），是根据不同的应用场景进行设计。
PCIe，SATA和SAS指的是SSD接口的形态，即数据传输通路，接口不同传输速率不同，即每秒能传输的数据量不同。
NVMe，AHCI是应用于数据传输通路上的协议。其中由于NVMe协议允许多队列，并且队列深度高，可以同时并行在多个数据传输通路上进行数据传输，可以更好地利用PCIe多通道的性能。AHCI只允许单队列，并且队列深度低，一次只能发送一个通道的数据，传输速率低。

简单理解：(物理)接口(M2,U2,AIC)=》总线(PCIe，SATA)=》协议(NVMe，AHCI)
其中pcie和nvme高度相关，SAta和AHCI高度相关，

总线(通道)标准：SATA与PCIe

实际上，SATA与PCIe既可以说是总线（通道）标准，也可以说是接口。
当SATA和PCIe作为总线（通道）标准时，可以理解为它们就是数据走的通道或者“路”，数据是通过这个“通道”传输至固态硬盘存储区或者是PC端的。二者的区别是SATA“窄”/PCIe“宽”，因此使用PCIe的固态硬盘要比SATA固态硬盘数据传输要快得多，目前主流SSD使用的也是PCIe总线（通道）标准。

PCIe和SATA是两种不同的接口标准，二者的本质的区别是通信架构的不同，PCIe属于全双工模式，而SATA是半双工模式。
简单的来说，全双工模式允许数据双向传输，而半双工模式只允许数据单向传输。全双工模式传输的优势就是传输速度快，延迟低。
从系统架构上来说，PCIe比SATA要简单。PCIe SSD硬盘在直接连在CPU上，不过，准确的来说，是CPU的小蜜，Root Complex。CPU作为系统的大脑，事务繁忙，日理万机。RC端帮助CPU处理与设备之间的交互。
PCIE和SATA当然有自己的插槽形硬件接口，但现在都普遍用M.2接口，兼容PCIE和SATA，M.2接口一般金手指结构，金手指一般指内存条的金黄色导电触片。
与SATA接口(总线)对接系统接口AHCI(协议)不同，PCIe接口(总线)上层对接的系统接口标准是NVMe(协议)。NVMe与AHCI相比，具有很多的优势。延迟低，最大支持64K队列，命令执行更简单等等。这些优势存在让PCIe是如鱼得水。带NVMe的带领下，PCIe SSD拥有的更快的速度，更低的延迟。

传输协议：NVMe与AHCI

如果说SATA和PCIe是传输数据的“路”，那么NVMe与AHCI就是保证“路”有秩序的交通规则，同样也是固态硬盘性能和速度的保证。关系上传输协议与通道标准是一一对应的，AHCI对应SATA、NVMe对应PCIe（PCIe通道实际上是可以采用AHCI协议的，但是此类产品市面上几乎没有了）。
AHCI无法很好地为采用高速PCIe通道的SSD提供服务，因此针对PCIe通道设计了NVMe传输协议，专为PCIe的SSD服务。目前NVMe已经升级到1.3、1.4版本，低延迟、高性能。
总结一下，SATA和PCIe是传输数据的“路”，SATA（1.0、2.0、3.0）与PCIe（M.2、U.2、AIC）是物理接口，而NVMe与AHCI则是“交通规则”。

NVMe，AHCI是应用于数据传输通路上的协议。其中由于NVMe协议允许多队列，并且队列深度高，可以同时并行在多个数据传输通路上进行数据传输，可以更好地利用PCIe多通道的性能。AHCI只允许单队列，并且队列深度低，一次只能发送一个通道的数据，传输速率低。

sata,msata,m2,pcie物理形态

接口性能/速度是否满足的计算样例

问题：已知有一个sdi转接pcie的设备，通过pcie取得nv12格式的sdi原始视频raw数据，1080p@60fps，,pcie gen2.0 x4(4通道)是否可以支撑这个传输需求，请给出计算步骤

01，计算视频数据带宽（NV12 格式）​​
​​NV12 是 YUV 4:2:0 格式，每个像素占用 ​​1.5 字节​​（Y 分量 1 字节，UV 分量共 0.5 字节）。
​​分辨率​​：1920 × 1080（1080p）
​​帧率​​：60 FPS

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​​计算单帧数据量​​:单帧数据量=宽度×高度×每像素字节数
=1920×1080×1.5字节
=3,110,400字节≈2.97MB
​​计算每秒数据量（带宽需求）​​
带宽=单帧数据量×帧率
=2.97MB×60FPS
=178.2MB/s
​​换算成比特率（bit/s）：​​
178.2MB/s×8=1,425.6Mbps

02，计算 PCIe Gen2.0 x4 的理论带宽​​
​​
带宽对比​​

项目计算值单位
​​NV12 1080p@60fps 带宽​​1,425.6Mbps
​​PCIe Gen2.0 x4 带宽​​16,000Mbps

1,425.6Mbps<16,000Mbps
​​结论​​
​​PCIe Gen2.0 x4 的理论带宽（16 Gbps）远高于 1080p@60fps NV12 视频的带宽需求（1.425 Gbps）。​​
​​实际传输时，PCIe 2.0 x4 完全可以满足需求，甚至还有大量余量。​

常见的MCU/MPU/SoC/DSP/FPGA的差别

在芯片领域，​​MCU、MPU、SoC、DSP​​ 和 ​​FPGA​​ 是常见的处理器类型，它们各有特点，适用于不同场景。以下是它们的核心区别和联系：

​1. MCU（Microcontroller Unit，微控制器）​​

  • ​​特点​​：
    • ​​高度集成​​：将 CPU、内存（RAM/Flash）、外设（GPIO、ADC、UART等）集成在单一芯片上。
    • ​​低功耗​​：适合电池供电设备。
    • ​​实时性​​：通常运行 RTOS（如 FreeRTOS）或裸机程序。
  • ​​应用场景​​：
    • 家电控制（如洗衣机）、传感器节点、小型嵌入式设备。
  • ​​代表型号​​：
    • STM32（ST）、ESP32（乐鑫）、PIC（Microchip）。

​​2. MPU（Microprocessor Unit，微处理器）​​

  • ​​特点​​：
    • ​​强计算能力​​：高性能 CPU 核心（如 ARM Cortex-A、x86），但需外接内存（DDR）和外围芯片。
    • ​​运行操作系统​​：支持 Linux、Android 等复杂 OS。
    • ​​高功耗​​：通常需要主动散热。
  • ​​应用场景​​：
    • 工业计算机、智能终端（如 POS 机）、边缘计算。
  • ​​代表型号​​：
    • Raspberry Pi（博通 BCM）、i.MX（NXP）、Intel Atom。

​​3. SoC（System on Chip，片上系统）​​

  • ​​特点​​：
    • ​​超高度集成​​：在单芯片上集成 CPU、GPU、NPU、内存控制器、高速接口（USB/PCIe）等。
    • ​​异构计算​​：可能包含多个 CPU/GPU/DSP 核心。
    • ​​定制化​​：部分 SoC 可针对特定场景优化（如 AI 芯片）。
  • ​​应用场景​​：
    • 智能手机（如骁龙、麒麟）、自动驾驶、AI 加速。
  • ​​代表型号​​：
    • 高通骁龙、华为麒麟、NVIDIA Jetson。

​​4. DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）​​

  • ​​特点​​：
    • ​​专用计算​​：优化数字信号处理（如 FFT、滤波），擅长高吞吐量数学运算。
    • ​​低延迟​​：硬件加速特定算法（如音频编解码）。
    • ​​通常作为协处理器​​：与 MCU/MPU 协同工作。
  • ​​应用场景​​：
    • 音频处理（如降噪）、图像处理（如摄像头）、通信（5G 基带）。
  • ​​代表型号​​：
    • TI C6000 系列、ADI SHARC。

​​5. FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）​​

  • ​​特点​​：
    • ​​硬件可编程​​：通过 HDL（Verilog/VHDL）配置逻辑电路，灵活性极高。
    • ​​并行计算​​：适合高速信号处理、协议加速。
    • ​​高功耗​​：动态功耗随逻辑复杂度增加。
  • ​​应用场景​​：
    • 通信协议处理（如 5G）、原型验证、ASIC 流片前的替代方案。
  • ​​代表型号​​：
    • Xilinx Zynq（SoC+FPGA）、Intel Cyclone。

对比总结

​类型​​​​核心特点​​​​集成度​​​​功耗​​​​典型应用​​
​​MCU​​低功耗、外设丰富高（All-in-One）低家电控制、传感器
​​MPU​​高性能、需外接内存低中高工业计算机、智能终端
​​SoC​​异构计算、多核集成极高中高手机、AI 加速
​​DSP​​专用信号处理、数学优化中中音频、图像处理
​​FPGA​​硬件可编程、并行计算可定制高通信、原型验证
联系与协作 ​​

​​SoC 可能包含 MCU/MPU/DSP​​
例如：手机 SoC（如骁龙）包含 Cortex-A（MPU）、Cortex-M（MCU）、DSP 和 GPU。

​​FPGA 可与 MCU/MPU 协同​​
例如：Xilinx Zynq 集成了 ARM Cortex-A（MPU）和 FPGA 逻辑。

​​DSP 常作为协处理器​​
例如：摄像头模组用 MCU 控制，DSP 处理图像。

​​如何选择？ ​​
​​需要低功耗控制？​​ → ​​MCU​​
​​需要跑 Linux？​​ → ​​MPU/SoC​​
​​要做音视频处理？​​ → ​​DSP​​
​​需要灵活硬件加速？​​ → ​​FPGA​​
​​全功能智能设备？​​ → ​​SoC​

参考

M.2 PCIe NVMe三者的关系：https://blog.csdn.net/weixin_46129187/article/details/143429683
小a科普｜固态硬盘术语：SATA、PCIe、AIC、U2、M.2、NVMe和AHCI:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1711659897646763096&wfr=spider&for=pc
选购固态硬盘别犯难：一文搞懂 M.2、SATA、PCIe 和 NVMe：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1804753527384413243&wfr=spider&for=pc
PCIe、SATA，M.2，NVMe、AHCI、IDE到底都是 些啥？（于2018.04）:https://www.douban.com/note/684877015/?_i=1403373xdAUCBL
硬盘MSATA和SATA和M2接口定义:https://post.smzdm.com/p/a94og7g5/

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